文章目录

前言
2.1电荷泵设计规范
- 2.1.1 工艺
- - 2.1.1.1 晶体管
  - 2.1.1.2 电容
  - 2.1.1.3 电阻
- 2.1.2 负载
- 2.1.3 输入电源电压范围
- 2.1.4 输入电源电流能力
- 2.1.5输出电源电压范围
- 2.1.6输出电源电流能力
- 2.1.7输出电源噪声
- - 2.1.7.1 调制方案
  - 2.1.7.2 稳定性
2.2 电荷泵设计指标
- 2.2.1 IV特性
- 2.2.2 电荷泵的功率效率
- 2.2.3 体系结构
- 2.2.4 线性调整率
- 2.2.5 负载调整率

前言

设计一个 DC-DC 转换器，例如电荷泵，理解设计指标的重要性是很关键的。随后，彻底熟悉如何使用正确的设计指标来评估电荷泵的性能。

2.1电荷泵设计规范

电荷泵设计规范决定了技术、电路结构和调节方案。

2.1.1 工艺

工艺包括电荷泵设计中可选的晶体管、电容和电阻类型。晶体管决定了电荷泵的速度、跨导、安全工作电压范围和芯片尺寸。电容和电阻器决定了芯片的大小、电荷泵的面积和功率效率。

2.1.1.1 晶体管

晶体管对于电荷泵的速度、功率和芯片尺寸都有很大的影响。对于低压操作而言，晶体管的速度强烈依赖于晶体管的类型和尺寸。晶体管的跨导率越高，跃迁速度就越快，所需的硅面积就越小。当前的技术提供了更高的迁移率、更薄的氧化物厚度、更低的阈值电压和更小的最小通道长度Lmin，这将为电荷泵的设计提供高速和高电流的驱动性。

模拟电路设计采用适当的VT、gm、Rout和Lmin，以实现高带宽和高增益。在大多数情况下，晶体管可以在低压电源下工作。在特殊情况下，应使用高压晶体管来承受高压应力或偏差。这些高压晶体管将遭受较低的gm、更高的晶体管阈值电压、更厚的晶体管介质厚度和更长的晶体管通道长度，以满足高电压电气设计规则的既定技术。与低压模拟泵相比，电荷泵中的高压模拟设计也存在面积和精度问题。

对于高压操作，重要的是要选择合适的氧化物厚度、最小允许VT和最小通道长度Lmin，以承受Vgb、Vg和Vds。高压晶体管的阈值电压、氧化物厚度和最小通道长度决定了在高压设计中可以实现的硅面积、功率效率、跨导率和等效阻抗。

2.1.1.2 电容

电容是电荷泵设计中最关键的电路之一。它决定了输出电流的能力和对设计硅面积的主要贡献。氧化物或介电厚度则决定了可以安全地应用于两个电容板之间的电压范围。一旦电容厚度已知，每单位面积的电容就会被固定。输出功率能力和功率效率决定了所需电容的总尺寸，这是设计所需的大部分硅面积。

电容类型和物理布局的设计对电荷泵设计的整体功率效率产生影响。功率效率是静态功率的函数。由于电容耦合是驱动电荷泵运行的机制，因此与耦合电容器的底板和顶板以不同的方式影响设计的功率效率。

与耦合电容相关的总寄生电阻由设计规则约束和布局中绘制的实际互连和路由来固定。与耦合电容相关的总电阻为等效串联电阻（ESR）。ESR值越高，就限制了电容的频率响应。在较低的频率下，有效电容不受ESR的影响。当频率超过由等式（2.1）给出的ESR极点频率时，有效电容将（-20dB/10decade）的衰减。电容的交流能力在高频时下降，降低了电荷泵的效率。

耦合电容的底板上的寄生电容取决于器件的选择和实际物理布局。选择NMOS或PMOS电容器件将在底板上引入不同类型的寄生电容。对于NMOS，导管与P衬底和S/D P/N结之间的损耗电容构成了底板上寄生电容的主体。如果使用PMOS器件（或NWELL电容），则NWELL TOP-sub寄生电容构成底板上寄生电容的主体。时钟信号的互连电容贡献了寄生电容的剩余部分。底板寄生电容会窃取泵时钟驱动器的电荷，并通过充放电操作消耗静止功率。此外，它将降低泵时钟的旋转速度。只要时钟驱动器足够强大，没有功率限制，除了泵时钟的静止功率和转速外，没有其他缺点。时间可以通过隐藏来优化。

耦合电容的顶板上的寄生电容不仅会从进入输出节点窃取电荷，而且会降低耦合比CR较低的内部节点上可以达到的电位电压，如等式所示（2.2）。这是影响电荷泵功率效率的主要因素之一。顶板寄生电容与设备、互连和路由有关。通过仔细和紧凑的布局和尺寸优化来减少寄生电容的总值将有助于限制负面影响。

2.1.1.3 电阻

电阻是用于反馈网络中设置闭环增益的常用无源元件。相较于有源元件，无源元件具有更好的匹配特性，因此更受欢迎。在电阻反馈网络中，直流功耗可能是电荷泵中唯一的直流功耗。为了减少静态直流功耗，设计需要选择更大的电阻值。高薄层（high sheet）电阻是减少总硅面积的首选方法。

板材电阻和单元电阻的布局尺寸是影响电容器外整体布局尺寸的关键因素。通常不考虑电阻的温度系数，因为反馈比是用于确定最终调整目标而不是绝对电阻。选择电阻器和单元电阻器的布局可能会影响局部和整体的变化。充电泵的DNL和INL很大程度上取决于电阻特性和实际布局。

2.1.2 负载

电荷泵的负载类型可分为电容式和电阻式。负载类型的选择将有助于确定调节方案、噪声滤波技术和补偿方案等设计因素。

电容式负载是电荷泵设计中最常见的负载之一。总负载电容的大小和建立时间指标决定了最大输出电流、输出噪声振幅和补偿方案。

电荷泵的输出电流能力取决于DC负载和建立时间。电流负载是在给定的调节水平下所需的最大直流平均输出负载电流。此外，在电阻式反馈网络中还可能存在一定的直流电流。然而，反馈电流的大小通常被最小化，以降低总静态功耗。建立时间决定了除直流负载外，还必须提供多少交流电流。在输出负载电容较大的情况下，设计上的交流电流可以超过直流电流，其大小由等式（2.3）给出。电荷泵的平均电流由公式（2.4）确定。最大负载电流能力决定了电路设计和泵时钟频率、耦合电容大小和泵时钟振幅之间的权衡，以满足给定的设计规范。

另一方面，电容式负载有利于改善负载转移条件和对电荷泵输出电源进行噪声滤波。负载倾倒是指电荷泵无法瞬间提供的瞬态峰值负载电流。为了满足设计规范中的△Vin，必须通过解耦电容来滤除噪声，其大小由等式(2.5)给出。

由于电荷泵的开关特性，其输出噪声取决于电荷泵的电流输出能力以及解耦电容的大小。如果输出负载电流Ioad是由设计规范确定的，输出开关噪声△V可以通过等式(2.6)计算得出，而时钟周期只能通过总输出解耦电容负载来过滤掉该噪声。

为了保持电荷泵的稳定性，需要对具有负反馈控制的某些类型的电荷泵进行补偿。补偿的选择通常取决于闭环设计中POLEs（极点）和ZEROs（零点）的位置。如果输出节点是具有重负载电容和轻负载电流的主导POLE，则补偿应使所有内部POLE都非主导地位，或者使用引线补偿来提高开环响应的相位裕度。如果输出节点是非具有轻负载电容和重负载电流的非主导极，则需要选择如何创建一个主导极点来进行补偿。使输出节点成为主导极点的优点不仅在于提高电路的稳定性，而且在负载转换时也能降低瞬态噪声。

2.1.3 输入电源电压范围

输入电源Vcc的电压范围可能对电荷泵的设计有最根本的影响。

该电荷泵被设计为在一个固定的时钟周期内移动一个固定量的电荷，以饱和NMOS晶体管的Ids为基础（公式2.7），而公式（2.8）则是在饱和区域工作的NMOS晶体管的跨导效率。PMOS晶体管的公式等同于（2.7）和（2.8）。输入电源范围的功率限制决定了最低超速驱动器的限制（公式2.9），这是可以实现的。输入电源电压越高，晶体管的过驱动器越大，且在相同器件尺寸下的电流可控性越强。gm越高，意味着电荷泵可以以更高的频率和更小的器件尺寸工作。

随着逻辑过程和技术的扩展，电源电压正在降低以降低芯片功耗和增加单位面积的总晶体管计数，因为设备和技术要求的电压范围也在下降。对于泵时钟驱动器的设计，需要更大的W/L比来补偿超速电压Vov的损失或减少。较大的W/L意味着需要增加电荷泵的总硅面积，以满足与上一代技术相同的规格。

一方面，输入供应范围的高端将转化为更好的性能，但也有更大的输出供应噪声。应采取特殊的设计技术，以尽量减少噪音。另一方面，较低的输入供应范围将用于选择可供操作的设备类型。氧化物厚度、阈值电压Vr和Lmin是影响性能的关键参数，如图所示（公式2.7至2.9）。性能的回报决定了整个设计的总硅面积。

在极端情况下，由于输入电源Vcc相对于晶体管的阈值的比例过于激进，电荷泵的设计在功率和区域上可能会变得非常低效。

2.1.4 输入电源电流能力

输入电源电流能力可能会限制电荷泵的性能，从而限制芯片的整体性能。输入电流可能会受到直流电或交流电的限制，需要遵守系统级规范所规定的电流限制。直流输入电源电流限制决定了系统传输到芯片的最大平均功率。交流限制则是系统级别的保护带，以确保电源的完整性，它通常由系统级的带宽、稳定性和/或滤波电容来决定。

有两种方法可以满足输入电流的限制。第一种解决方案是在芯片性能和功耗之间进行权衡，可以降低电荷泵等芯片性能或削减芯片上剩余电路，以减少直流或交流电流的消耗。第二种方案是通过精心设计的电路结构，提高电荷泵和调节电路的整体功率转换效率。在许多系统中，电荷泵对芯片位置的交流和直流电流消耗都有巨大影响，因此在设计阶段需要特别关注，以满足整个系统的功率规格和功率完整性要求。

2.1.5输出电源电压范围

与SMPS升压转换器不同，电荷泵的输出电压电平可以通过PWM的循环负载来调整。电荷泵的设计需要满足明确的输出电源电压范围规格。如果根据给定的电荷泵设计确定了目标输出电源电压范围，则等式（2.10）需要修订，加入与NMOS二极管连接的器件的阈值电压VT，以便于分析。电荷泵的最大正电压是输入电源电压、器件的阈值、负载电流、时钟频率和耦合电容的函数。

给定最大输出电源电压范围所要求的最小泵级数可以通过等式(2.11)计算得到。需要的泵级数随着所需的输出电源电压的增加而增加。

通常情况下，电荷泵设计中的泵时钟信号应由低输出阻抗的驱动器驱动，以提高时钟信号的总响应时间。时钟驱动器的电源应为输入电源，以最大限度地提高驱动性。等式（2.12）显示了每个泵级的潜在级增益作为各种参数的函数，包括输入电源、与NMOS二极管连接的阈值电压、负载电流、泵时钟周期和耦合电容。随着输入电源的降低，一级增益急剧下降，而与NMOS二极管连接的阈值电压并没有随着技术的发展而降低，如等式(2.13)所示。

图2.1说明了级数增益与输入电源电压Vcc的渐近关系。随着输入电源Vcc的降低，级数增益以更快的速率衰减。这表明设计低输入电压的电荷泵面临的挑战。

尽管在逻辑领域，电源技术正在不断缩小，以驱动更薄的氧化物和降低总设计功耗，但这种技术趋势并不利于电荷泵的设计。由于输入电压降低，为了满足相同的输出电压目标范围，需要更多的泵级来抵消。每个泵级需要更大的耦合电容来维持电荷泵设计的强度。电荷泵的电容越大，所需的硅面积随着输入电源比例的缩小而增加。

为了解决电源比例对电荷泵的影响，可以使用泵时钟驱动器得到一个新的电源Vclk，而不是直接使用输入电源Vcc。如果在电源改变之前，低Vcc迫使电荷泵停留在衰减斜率更陡的区域，那么等式（2.10）可以通过修改等式（2.14）来解决这个问题。从图2.1可以看出，如果Vclk的振幅比Vcc的振幅足够大，则新泵级增益可以回到坡度较小的区域。使用更大振幅的Vclk将允许电荷泵设计的尺寸对降低输入电源Vcc的影响比原来更小，如果使用更大振幅的Vclk的成本比使用低V的设计成本更便宜。

2.1.6输出电源电流能力

在目标调节下的输出供给电流能力是另一个重要的设计规范。

方程（2.15）是通过等式（2.10）推导出来的，它显示了可能影响负载电流Iload的关键参数。如果需要最小化给定设计的总布局尺寸，可以按比例降低时钟周期Tclk，以保持C和Tclk之间的比率不变。然而，以较高的时钟频率运行电荷泵意味着充电必须以更高的速度传输，这需要更大的器件尺寸和布局尺寸，并且引入了更大的寄生电容。较高的时钟频率运行电荷泵会产生开关功率，从较大的时钟驱动器和寄生电容等方面增加设计的复杂性，这可能会对总体电力效率产生负面影响，即使在局部效率上有明显的提高。

通过合理的努力在电荷泵设计中降低或抵消传递元件的阈值电压的影响，可以显著提高Eq.（2.15）的输出电流能力。降低耦合电容C的阈值电压VT，可以获得更高的功率效率和面积效率。

2.1.7输出电源噪声

电荷泵的输出噪声是另一个重要的设计指标，影响性能和设备可靠性。为实现稳定的输出电压，可采用线性调节器，前提是系统的所有输入都是稳定的。然而，电荷泵为开关模式电源，其本身性质决定即使系统稳定，输出也会有噪声。在泵时钟边缘切换后，系统无法立即纠正多余的电荷，直到下一个泵时钟边缘到达或输出负载电流耗尽时才能纠正。与线性调节器不同，电荷泵输出噪声不仅受输入电压的影响，还受到泵的开关行为的影响。

在一个时钟边沿周期内，充电泵输出所传递的充电量由等式（2.17）给出。泵的Vclk的耦合电容C以及电压摆幅，共同决定了在半个时钟周期内倾倒到充电泵输出的总电荷△Q。如果过渡时间较短，那么等式（2.18）将接近泵时钟边缘切换后的最大输出电源摆动。Ctotal是负载电容Cload和解耦电容C的和。如果存在与各种电容相关的非理想ESR电阻，那么输出噪声将会提高。

2.1.7.1 调制方案

电荷泵调节方案的类型对于系统的输出电源噪声和功率效率有着重要的影响。采用开/关调节或其他类型的脉冲频率调制（PFM）可能是最佳的调节选择，因为它能够降低开关引起的静态功耗，提高整体功率效率。虽然输出噪声较大，但如果系统能够承受较大的输出电源噪声，或者系统能够承受更大的解耦电容C负载来抑制输出噪声，则开/关调节将是理想的调节选择，因为它的设计简单而功率效率高。

采用闭环控制系统对输出电源幅度进行负反馈控制可以实现比开/关调节或其他类型的PFM更小的输出电源噪声。一种实现形式是固定泵时钟的频率并对时钟振幅进行负反馈控制。虽然这种设计能够最小化输出电源噪声，但同时它也消耗更高的静态开关功率并且功率效率较低。

2.1.7.2 稳定性

负反馈电荷泵的稳定性分析并不简单。与其他模拟电路不同，电荷泵的交流分析不能直接使用电路模拟器进行。理论上，可以先对整个电荷泵调节回路中的电路元件进行小信号建模，然后进行系统级分析以检查稳定性。在许多情况下，只能用瞬态响应波形来分析电荷泵设计的稳定性。从内部节点的瞬态响应来看，很难区分开关噪声和存在稳定性问题的设计。

在稳定的条件下，输出开关噪声应与每个时钟周期一致。从稳定性的角度来看，两个泵浦时钟边缘之间的切换噪声将被过滤掉，想象的输出应被视为一条平滑的线。为了设计稳定的闭环电荷泵，可以通过在闭环系统中注入步进函数刺激的瞬态模拟进行分析。与泵浦时钟频率相比，系统的响应应检查在更宽松的分辨率下。因此，任何来自稳定性分析和补偿方案的模拟电路设计技术都可以应用于电荷泵的设计。

2.2 电荷泵设计指标

电荷泵电路设计的质量可以通过以下指标进行评估：

输出电源噪声：这是电荷泵电路的一个重要指标，因为电荷泵输出的电压会被用于其他电路。输出电源噪声应该尽可能小。

功率效率：电荷泵的功率效率是指输出电压与输入电压之间的比率。它是一个重要的设计指标，因为它直接影响系统的能效。

频率稳定性：电荷泵的输出频率应该与输入频率相匹配，并且应该具有稳定的频率特性。如果频率偏差太大或者频率特性不稳定，将会影响电荷泵电路的性能。

负载驱动能力：电荷泵应该能够驱动负载电容，并在负载电容变化时保持输出电压的稳定性。这是电荷泵电路的一个关键设计指标。

转换效率：电荷泵电路应该能够快速、准确地将输入电压转换为输出电压。如果转换效率低，则电荷泵将不够有效。

开关频率：电荷泵的开关频率应该足够高，以避免可听的开关噪声。但是，频率不能太高，否则会影响电荷泵电路的稳定性和转换效率。

以上这些指标可以通过建模和仿真来评估，并且应该在电荷泵电路的设计和验证过程中得到充分考虑。

2.2.1 IV特性

IV曲线是评估电荷泵设计质量的最直接方法。IV曲线可以从静态曲线中提取输出电流能力，以及输出电源的阻抗。通过IV曲线的斜率可以计算输出阻抗，这可以用于评估设计的功率转换效率。IV曲线还可以用来说明给定设计的灵敏度，这可能受到电路设计、物理布局、电压、工艺或温度的变化的影响。从IV曲线中可以提取最大输出电压Vmax和在目标输出调节水平Vreg下的输出电流能力Ireg。通过IV曲线的变化，可以直观地看到电荷泵设计的改进。IV曲线的生成可以在设计和模拟阶段进行，通过适当的建模和表征阶段。

2.2.2 电荷泵的功率效率

功率效率是另一个最重要的设计指标之一，如公式（2.19）所示。其中，Pout 是从电荷泵提供给负载的总输出功率，而 Pquiescent 是电荷泵中未交付给负载的额外功耗。如果 Pout 远大于 Pquiescent，则功率效率将会很高。如果 Pout 远大于 Pquiescent，那么 Pquiescent 的数量可能不是一个关注点。但是，如果 Pout 很小或与 Pquiescent 相当，则功率效率将会降低。在低负载电流的电荷泵设计中，提高功率效率面临着最大的挑战。特别是如果低负载电流在总操作时间中占据了很大比重，那么如果只针对高负载电流条件进行优化，整体电荷泵功率效率可能会受到影响。如果芯片集成在有严格电源预算的系统中，如手持设备、固态硬盘等，则这个设计指标尤为关键。

图2.3展示了一个电荷泵的功率转换效率曲线。通常，峰值功率效率在区域2的中心，输出电流在i2附近。如果加载电流从i2增加或减小，功率效率将降至最大功率效率值以下。如果iLoad增加，内部寄生电容和电阻可能会严重影响功率、信号的时间和电压。由于寄生效应，功率效率会降低。因此，静态功耗是一个重要的参数，它与负载有关，随着iLoad的减小而降低功率，效率也会降低，符合公式(2.19)的描述。

正常的设计应该最大限度地提高峰值负载电流下的功率效率，因为它不仅由定时规范驱动，而且由于最大的负荷电流幅度，它将最大限度地节省电力。然而，在实际操作中，负载电流的概率密度函数可能显示低负载电流或无负载电流的情况在总运行时间中占据了最显著的权重。因此，改善这些情况的电荷泵运行同样重要，而不仅仅是在最大负载电流情况下。在大规模的情况下，功率效率是由架构来设置和区分的，而在小规模下，则需要通过电路工程和实际的物理布局来提高电力效率。

2.2.3 体系结构

一个简单的比较迪克森电荷泵和其它类型的VT阈值消除泵结构，可以显示结构对功率效率的影响。

式（2.20）展示了迪克森电荷泵的输出电流能力，其中包括二极管连接晶体管的阈值约束和其他参数。针对任何类型的取消VT电荷泵结构，只要稍加努力，就可以消除VT的影响，如式（2.21）所示。这两种设计都是针对相同的调节水平Vreg，式（2.22）和式（2.23）展示了两种结构在目标输出调节水平上的输出功率能力。

式（2.24）展示了迪克森电荷泵的功率效率，这个公式是通过假设静态功率相对于负载功率可以忽略不计来得到的。式（2.25）展示了通用VT抵消电荷泵的效率，为了简化问题，我们同样做出了这个假设。由于Pout2大于Pout1，式（2.26）说明了使用VT抵消的通用充电泵在迪克森电荷泵上的功率效率增益。

2.2.4 线性调整率

线性调整率对于电荷泵的设计指标同样重要，与LDO相比一样重要。相较于LDO，电荷泵的设计对于直流或低频时输入电源的变化更加敏感，因此需要更高的线性调整率。线性调整率的定义如等式（2.27）所示，即输出调节电平变化与输入电源电压变化之比。

电荷泵的线性调整率贡献来源有两个。

首先，线性调节是调节回路中放大器PSR或比较器PSR和调节参考电压PSR的函数。如果运放器的PSR不够大，直流输出可能会出现直流或低频漂移。比较器的PSR会影响振荡器的速度，进而影响脉冲宽度的占空比和输出电压的平均值。如果调节使用参考电压的PSR受到影响，参考电压的变化会被泵调节的闭环增益放大，并出现在电荷泵的输出电压中。

其次，线性调节是输出开关噪声的函数。随着输入电源的增加，输出噪声振幅呈线性增加。等式（2.28）由等式（2.18）推导而出，其中Vclk通常是输入电源的函数。由于电荷在泵时钟的每个过渡边缘瞬间倾倒到输出，只有耦合电容C和输出Ctotal的总电容作为第二个源的线性调节。

输出开关噪声的直流电或低频平均值来自等式（2.28），它会直接加到输出电压的直流平均值上。这个术语在LDO设计中是不存在的。通常情况下，等式（2.28）中的第二项会在电荷泵的线性调整率中占主导地位。为了减少线性调整率的变化，可以抑制泵时钟Vclk对输入电源Vcc的敏感性。

等式（2.29）表明，如果能将泵时钟的振幅变化最小化到零，线路调节的灵敏度将会降低。由于时钟信号的高频特性，最好使用LDO来稳定泵时钟驱动器的电源供应。尽管这可能会牺牲电力效率，但可以显著改善线路调节。

2.2.5 负载调整率

负载调整率是与LDO对应的充电泵的另一个设计指标。负荷调节在等式中定义（2.30）作为输出调节水平的变化与直流或低频区负载电流的变化之间的比值。它相当于小的电荷泵在直流时的信号输出阻抗。

与电荷泵的线路调节类似，电荷泵对负载调节的贡献也可以来自两个方面。

首先，负载调节是泵调节的开环增益的函数。在直流或低频时，随着负载电流的变化，系统的开环增益也会发生变化。由于闭环增益是开环增益的函数，因此随着开环增益的降低，输出电压电平也会随着负载电流的变化而变化。

其次，类似于线路调节，负载调节也会产生开关噪声。随着负载电流的增加，输出噪声振幅呈线性增加。公式（2.31）表示了负载调节的影响，其中Tclk是两个连续的泵浦时钟边缘之间的时间间隔，Ctotal是输出端总负载电容和解耦电容的总和，常数k落在1和泵级总数N之间，该值对体系结构和实现很敏感。因此，在设计电荷泵时需要平衡开环增益和噪声产生，以确保其负载调节能力的稳定性和可靠性。

如果负载电流Iload改变，输出电压将发生线性变化。较短的周期Tclk可以降低负载调节噪声，输出电源的电容可以有效抑制负载变化。

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